Nonlinear mechanical analysis of historical blockwork breakwater: the case of St. Elmo in Malta

The structural analysis of a historical blockwork breakwater has been herein investigated by creating a bidimensional finite element model in Abaqus software. The structure under consideration is the St. Elmo Breakwater, one of the two breakwaters protecting the Grand Harbour, the main harbour of Malta. It was constructed with massive precast concrete blocks, cast-in-place concrete elements and limestone blocks. The exact geometry and used materials are reproduced to perform at first an implicit static linear analysis and then an explicit quasi-static nonlinear analysis. Several models have been thereafter implemented to take into account for static and dynamic nonlinear aspects that may affect the overall structural response. Nonlinearities are introduced by modelling a frictional interaction between the interfaces of the elements and by applying the Concrete Damage Plasticity Theory. Using the provisions of Eurocode 2, the constitutive law of historical concrete was evaluated to calibrate the parameters of the Concrete Damage Plasticity model and to represent the possible crack formation and propagation. The considered external actions are only the self-weight and the water pressure on both sides of the structure. Initially, the sea action is considered to be only hydrostatic, but then the impact force of the colliding waves is also considered and modelled as a static equivalent load, thanks to the Goda formula. The aim of this dissertation is to verify the structural response and the possible formation and propagation of cracks due to the impact of the design wave with a return period of 200 years.

In questo lavoro di tesi è stata svolta un’analisi strutturale di una diga marittima storica a parete verticale tramite una modellazione bidimensionale ad elementi finiti. La struttura in questione è il "St. Elmo Breakwater", uno dei due frangiflutti che proteggono il Grand Harbour, il principale porto di Malta. La struttura è composta da blocchi massivi di calcestruzzo prefabbricati, parti di calcestruzzo gettate in opera e blocchi di pietra calcarea. Grazie al software Abaqus, si è potuta effettuare inizialmente un’analisi implicita statica, e, in seguito, un’analisi esplicita, non lineare e quasi-statica. Vari modelli sono stati realizzati per tener conto di aspetti non lineari statici e dinamici che possono influenzare la risposta globale della struttura. Caratteristiche non lineari sono state introdotte a causa della modellazione dell’attrito alle interfacce tra gli elementi e della teoria di Danno e Plasticità del calcestruzzo. Adottando le indicazioni dell’Eurocodice 2, si è riprodotta la legge costitutiva del calcestruzzo, così da poter calibrare i parametri del modello di Danno e Plasticità e rappresentare la formazione e propagazione di possibili fratture. Come sollecitazioni esterne si sono considerate il peso proprio e l’azione dell’acqua su entrambi i lati della struttura. Inizialmente è stata implementata solo la pressione idrostatica, ma, in seguito, anche il carico dato dall’impatto delle onde è stato introdotto come un’azione statica equivalente, grazie alla formulazione di Goda. Lo scopo di questa tesi è verificare la capacità portante di un manufatto storico e la possibile formazione e propagazione di fratture dovute ad un’onda di progetto con tempo di ritorno di 200 anni.